Polimerowe membrany wolne od PFAS do produkcji półprzewodników

Nowa, wolna od PFAS, wysokotechnologiczna membrana może odfiltrować najmniejsze zanieczyszczenia cząsteczkowe, umożliwiając tym samym produkcję półprzewodników następnej generacji. © Fraunhofer IAP/Till Budde / Innowacyjna, wolna od PFAS wysokotechnologiczna membrana może oddzielić ultra-małe zanieczyszczenia cząsteczkowe, umożliwiając produkcję półprzewodników nowej generacji. © Fraunhofer IAP, Zdjęcie: Till Budde

Bezfluorowęglowa membrana polimerowa jest chemicznie stabilna, wysoce przepuszczalna i ma średnicę porów około siedmiu nanometrów. © Fraunhofer IAP / The PFAS-free polymer membrane is chemically stable, highly permeable and features a pore diameter of approx. seven nanometers. © Fraunhofer IAP

Niebezpieczne dla zdrowia i środowiska chemikalia PFAS, czyli per- i polifluoroalkilowe substancje, są szeroko stosowane w wielu branżach ze względu na swoją stabilność, wodoodporność i tłuszczoodporność. W produkcji półprzewodników na przykład w wielu etapach procesu używa się membran zawierających PFAS. Naukowcy z Instytutu Fraunhofer ds. Badań nad Polimerami IAP opracowali teraz zrównoważoną alternatywę, wykorzystując nową, wolną od PFAS membranę. Chemicznie stabilna, wysoce przepuszczalna membrana polimerowa ma średnicę porów około siedmiu nanometrów i umożliwia filtrację najmniejszych zanieczyszczeń cząsteczkowych. Membrana może być dostosowana do potrzeb klienta, dzięki czemu nowa metoda może być łatwo zintegrowana z istniejącymi urządzeniami.

Chemikalia PFAS są toksyczne, trwale zanieczyszczają wodę i glebę oraz gromadzą się w organizmach ludzi i zwierząt poprzez żywność i produkty konsumenckie. Europejska Agencja Chemikaliów (ECHA) opublikowała w lutym 2023 roku propozycję zakazu produkcji, używania i wprowadzania do obrotu, w tym importu, PFAS na terenie Europejskiego Obszaru Gospodarczego. Branża półprzewodników jest krytyczna wobec nadchodzącego zakazu PFAS, ponieważ chemikalia te są używane m.in. w procesach trawienia i czyszczenia, a także jako membrany i obudowy w filtrach. Według wielu producentów, trwałe chemikalia per- i polifluoro są dotąd jedynym rozwiązaniem, a produkcja większości produktów półprzewodnikowych nie byłaby możliwa bez nich. Naukowcy z Fraunhofer IAP w Poczdamie opracowali dla dostawcy branży półprzewodnikowej membranę wolną od PFAS, wykonaną z konwencjonalnych, specjalnie stabilizowanych polimerów, która może zastąpić membrany PFAS. Membrana z polimeru poliacrylonitrylu (PAN) wyróżnia się wysoką stabilnością chemiczną i mechaniczną. Dodatkowo ma ekstremalnie małe pory o średnicy około siedmiu nanometrów. Jest to konieczne do usuwania cząsteczkowych zanieczyszczeń z produkcji oraz do filtracji i recyklingu czynników roboczych, takich jak kwasy i rozpuszczalniki, potrzebnych do procesu. Membrana może być dostosowana do potrzeb klienta, co pozwala na łatwą integrację nowej metody z istniejącymi urządzeniami do produkcji kolejnej generacji chipów.

Zanieczyszczenia muszą być unikane

„Podczas produkcji chipów odbywa się wiele procesów, takich jak cięcie, czyszczenie i planaryzacja, które służą do nanoszenia struktur na wafle. We wszystkich tych operacjach powstają cząsteczkowe zanieczyszczenia, które muszą być usuwane na każdym etapie, ponieważ w przeciwnym razie mogłyby uszkodzić nanometrowe struktury”, wyjaśnia dr Murat Tutus, inżynier z Fraunhofer IAP i kierownik działu „Membrany i folie funkcjonalne”. Zespół Murata Tutusa zdołał opracować chemicznie i mechanicznie wysoce stabilną membranę z konwencjonalnego polimeru, która może odfiltrować cząstki o rozmiarze zaledwie siedmiu nanometrów. Dla porównania: w medycynie do sterylnej filtracji używa się filtrów o rozmiarze około 220 nanometrów. „Polimer ten mogliśmy chemicznie zmodyfikować za pomocą kolejnego, opatentowanego przez nas składnika, i także stabilizować go w trudnych warunkach procesowych”, mówi naukowiec.

Dodatkowo naukowcy musieli opracować rozkład rozmiaru porów, który nie różniłby się znacznie od siedmiu nanometrów. Ponadto membrana powinna być wysoce przepuszczalna. „Miara przepuszczalności określa liczbę porów na powierzchni. Im mniejsze pory, tym mniejsza przepuszczalność. Dlatego w drugim kroku musieliśmy zwiększyć liczbę porów przy stałym rozmiarze porów, aby zwiększyć przepuszczalność”, wyjaśnia Tutus.

Produkcja membrany z rozpuszczalnikami zgodnymi z REACH

Ponieważ membrana może być dostosowana do potrzeb klienta poprzez rozmiar porów i przepuszczalność, można ją łatwo zaadaptować do różnych zastosowań w innych branżach. Zaleta dostosowania membrany: istniejące urządzenia można dalej wykorzystywać, a pracownicy nie muszą być ponownie szkoleni. Dr Tutus i jego zespół widzą duży potencjał w ich rozwoju szczególnie w przemyśle farmaceutycznym i chemicznym, gdzie również używa się agresywnych rozpuszczalników. Podczas samej produkcji membrany stosuje się zrównoważone rozpuszczalniki zgodne z REACH (Rejestracja, Ocena, Zezwolenia i Ograniczenia Chemikaliów), a cały proces produkcyjny jest zaprojektowany w sposób ekologiczny, przy niskich temperaturach. Membrana jest wytwarzana metodą NIPS, czyli nie rozpuszczalnikową indukowaną separacją faz, przy czym naukowcy mogą także dostosować morfologię, czyli stabilność ciśnieniową membrany.